德國(guó)維爾茨堡大學(xué)：凝膠 AGE 樹(shù)脂助力體積生物打印軟組織工程發(fā)展

來(lái)源：EFL生物3D打印與生物制造

在生物制造領(lǐng)域，增材制造（AM）技術(shù)發(fā)展迅速，為生物制造帶來(lái)了新機(jī)遇，但也面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)AM技術(shù)存在制造速度慢、分層偽影等問(wèn)題，限制了復(fù)雜構(gòu)建物的分辨率。光固化成型（VP）技術(shù)雖有一定優(yōu)勢(shì)，但目前用于體積生物打�。╒BP）的樹(shù)脂仍存在局限，開(kāi)發(fā)可用于VBP的新型樹(shù)脂成為該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。尤其是制造適用于軟組織工程的柔軟水凝膠，對(duì)光樹(shù)脂的粘度、光學(xué)透明度等要求苛刻，現(xiàn)有技術(shù)難以滿足 。  

來(lái)自德國(guó)維爾茨堡大學(xué)的Tomasz Jungst團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于烯丙基改性明膠（gelAGE）的光點(diǎn)擊樹(shù)脂，旨在滿足VBP的加工要求，并應(yīng)用于軟組織工程。通過(guò)系統(tǒng)地改變前體濃度，成功制備出具有不同機(jī)械性能的水凝膠，其楊氏模量在0.2 - 1.0 kPa之間，適合脂肪組織培養(yǎng)。研究成果表明，這種新型樹(shù)脂能實(shí)現(xiàn)高吞吐量的VBP，為軟組織工程構(gòu)建物的制造提供了新的解決方案，推動(dòng)了生物制造領(lǐng)域的發(fā)展 。相關(guān)工作以“Flexible Allyl‐Modified Gelatin Photoclick Resin Tailored for Volumetric Bioprinting of Matrices for Soft Tissue Engineering”為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。

研究?jī)?nèi)容
1. gelAGE 光點(diǎn)擊樹(shù)脂用于體積生物打印的原理及軟組織模擬研究
通過(guò)設(shè)計(jì)合成實(shí)驗(yàn)和理論分析的方法，研究基于烯丙基改性明膠（gelAGE）的光點(diǎn)擊樹(shù)脂在體積生物打�。╒BP）中的應(yīng)用，以及該樹(shù)脂構(gòu)建的基質(zhì)對(duì)軟組織模擬的適用性。結(jié)果表明，利用硫醇 - 烯交聯(lián)反應(yīng)與四臂巰基化聚乙二醇（PEG4SH）結(jié)合，可制備出柔軟（0.2 - 1.0 kPa）且適用于 VBP 的樹(shù)脂，其模量與多種軟組織相似，為軟組織工程提供了新選擇。

圖1. 柔性烯丙基改性明膠光點(diǎn)擊樹(shù)脂的體積生物打印示意圖以及gelAGE配方的楊氏模量與軟組織的硬度匹配度

2. gelAGE基水凝膠的物理化學(xué)特性分析
采用溶脹分析、質(zhì)量損失測(cè)定和力學(xué)性能測(cè)試等實(shí)驗(yàn)手段，研究不同濃度（2.75% 和 6%）gelAGE 基水凝膠的物理化學(xué)性質(zhì)。結(jié)果顯示，低濃度凝膠溶脹率更高、質(zhì)量損失趨勢(shì)不同，且兩者交聯(lián)密度有差異；力學(xué)測(cè)試表明，低濃度凝膠楊氏模量約 0.2 - 0.4 kPa，高濃度約 0.75 - 1.0 kPa，均符合脂肪組織力學(xué)范圍，適合脂肪細(xì)胞培養(yǎng)。

圖2. gelAGE基水凝膠物理化學(xué)表征

3. gelAGE基樹(shù)脂的流變特性研究
運(yùn)用振蕩測(cè)量、溫度掃描、頻率掃描和旋轉(zhuǎn)測(cè)試等流變學(xué)方法，研究 gelAGE 基樹(shù)脂的流變特性和光固化過(guò)程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該樹(shù)脂室溫下為液態(tài)便于操作，降溫形成物理凝膠，溫度掃描有溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變點(diǎn)，高濃度凝膠化更快；頻率掃描顯示模量穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)測(cè)試中高濃度樹(shù)脂粘度增長(zhǎng)更明顯，光流變測(cè)試表明光照可快速引發(fā)交聯(lián)，滿足 VBP 對(duì)樹(shù)脂粘度和固化速度的要求。

圖3. gelAGE基樹(shù)脂的流變性質(zhì)檢測(cè)

4. gelAGE基樹(shù)脂體積打印的分辨率和結(jié)構(gòu)成型能力探究
通過(guò)打印不同形狀和尺寸的3D結(jié)構(gòu)，如S形細(xì)絲、空心籠、金字塔和分支結(jié)構(gòu)等，并對(duì)其進(jìn)行觀察和分析，研究gelAGE基樹(shù)脂的體積打印分辨率和成型能力。結(jié)果表明，該樹(shù)脂能實(shí)現(xiàn)約100μm的特征分辨率，可制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如自支撐結(jié)構(gòu)、帶尖銳邊緣的結(jié)構(gòu)和可灌注結(jié)構(gòu)，為軟組織工程構(gòu)建物的制造提供了可能。

圖4 基于gelAGE的不同形狀3D類(lèi)似物的體積打印和打印分辨率評(píng)估

5. 脂肪來(lái)源間充質(zhì)干細(xì)胞在 gelAGE 基樹(shù)脂中的打印及分化研究
將脂肪來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞（ASC）負(fù)載于gelAGE基樹(shù)脂中進(jìn)行體積生物打印，隨后進(jìn)行成脂分化培養(yǎng)，通過(guò)活/死染色、油紅O染色和基因表達(dá)分析等方法，研究細(xì)胞在樹(shù)脂中的存活、分化情況。結(jié)果顯示，打印后細(xì)胞存活率高，培養(yǎng)14天后ASC成功分化為脂肪細(xì)胞，兩種不同濃度的gelAGE基樹(shù)脂均為成脂分化提供了有利環(huán)境。

圖5 脂肪源性基質(zhì)細(xì)胞（ASC）的體積生物打印和隨后的脂肪形成分化

圖6. 脂肪細(xì)胞的體積生物打印

研究結(jié)論
本研究開(kāi)發(fā)出一種用于體積生物打�。╒BP）的新型 gelAGE 基光點(diǎn)擊樹(shù)脂，該樹(shù)脂可構(gòu)建極軟（0.2 - 1.0 kPa）的水凝膠基質(zhì)，適用于脂肪干細(xì)胞（ASC）和分化脂肪細(xì)胞的 3D 培養(yǎng)。通過(guò)正交硫醇 - 烯點(diǎn)擊化學(xué)交聯(lián)策略，能在數(shù)十秒內(nèi)高通量制備 3D 細(xì)胞負(fù)載構(gòu)建體和復(fù)雜無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)。對(duì)兩種不同濃度的 gelAGE 基配方進(jìn)行深入研究，明確了其物理化學(xué)和機(jī)械性能差異。該樹(shù)脂為 ASC 的成脂分化提供了有利微環(huán)境，且成功實(shí)現(xiàn)了高活力和功能良好的分化脂肪細(xì)胞的 VBP 打印。這些成果為脂肪生成的進(jìn)一步研究和構(gòu)建更復(fù)雜的脂肪組織模型奠定了基礎(chǔ)，有望拓展到其他軟組織工程領(lǐng)域。

挑戰(zhàn)與展望
但目前可用于 VBP 的樹(shù)脂種類(lèi)有限，需開(kāi)發(fā)更多功能化、高性能的樹(shù)脂以滿足不同組織工程需求。在打印過(guò)程中，如何進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)以提高打印精度和穩(wěn)定性，以及更好地控制細(xì)胞與材料的相互作用，仍是待解決的問(wèn)題。未來(lái)，該技術(shù)有望與其他先進(jìn)技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建更復(fù)雜、仿生的組織模型，推動(dòng)軟組織工程的發(fā)展。例如，可探索其在構(gòu)建具有血管化結(jié)構(gòu)的脂肪組織方面的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)更接近真實(shí)組織的功能模擬，為臨床治療和藥物研發(fā)提供更有效的工具。

文章來(lái)源：https://doi.org/10.1002/adhm.202300977